姚靖維

（華中科技大學(xué)，武漢 430074）

0 引言

近年來，布拉格光柵（fibre Bragg grating，F(xiàn)BG）光纖傳感技術(shù)已逐漸成熟，其具有強(qiáng)大的魯棒性、靈活性和耐用性，尺寸極小且抗電磁干擾，在感應(yīng)電機(jī)熱監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域中潛力巨大[1]。隨著成本的降低，F(xiàn)BG傳感器的價(jià)格逐漸逼近了TC傳感器與RTD傳感器。雖然FBG傳感器配套的光信號讀寫器價(jià)格較高，但由于其對電力設(shè)備的熱監(jiān)控可以提升多項(xiàng)性能，且可以大幅度縮小溫控系統(tǒng)的尺寸與運(yùn)行成本，具有繼續(xù)開發(fā)應(yīng)用的價(jià)值[2-3]。在航空航天領(lǐng)域與風(fēng)電領(lǐng)域，F(xiàn)BG傳感器已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，并且提升了相關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)的效率[4-5]。本文介紹的FBG傳感器電機(jī)原位測量方案可以解決傳統(tǒng)溫度測量方案的不足，且具備電機(jī)原位溫度測量的能力，讓熱監(jiān)控系統(tǒng)可以測量電機(jī)內(nèi)部最熱部位的溫度，F(xiàn)BG傳感器通過接受讀取來自溫度探頭的反射光信號來測量感應(yīng)電機(jī)溫度，該光纖中的反射光波波長隨溫度變化，由此實(shí)現(xiàn)對溫度的測量工作。

光學(xué)相關(guān)的測量方法使FBG傳感器不受電磁干擾的影響，并且可以通過深入電機(jī)繞組的溫度測量來提高測溫結(jié)果可信度[6]；另一方面，嵌入定子線圈繞組內(nèi)部的光纖可提供實(shí)時(shí)感應(yīng)電機(jī)溫度測量，與傳統(tǒng)固定測溫方式相比，使用光纖傳感器直接在插槽部分熱點(diǎn)位置放置傳感器進(jìn)行熱監(jiān)控可大大提高電機(jī)故障的檢測效率。熱點(diǎn)指的是繞組內(nèi)溫度最高的點(diǎn)，很難通過常規(guī)溫度測量方法直接測量[7]。FBG傳感器的使用解決了測量感應(yīng)電機(jī)熱點(diǎn)溫度的難題，因此FBG測量是監(jiān)控和保護(hù)運(yùn)行中感應(yīng)電機(jī)的極佳選擇。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

FBG光纖傳感電機(jī)熱監(jiān)控系統(tǒng)主要包括感應(yīng)電機(jī)和FBG光纖傳感器。

1.1 感應(yīng)電機(jī)

使用的感應(yīng)電機(jī)數(shù)據(jù)見表1。該電機(jī)是一個(gè)全封閉扇冷式（TEFC）感應(yīng)電動(dòng)機(jī)?；谠撾姍C(jī)參數(shù)，介紹感應(yīng)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)、工作原理和控制方法。

表1 試驗(yàn)TEFC電機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)所用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的制造遵循IEC 60034-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定參數(shù)和性能標(biāo)準(zhǔn)。該電機(jī)的絕緣等級為F，溫升等級為B，由此，該感應(yīng)電機(jī)的最高工作溫度為125 ℃[8]。感應(yīng)電機(jī)的軸承連接到一個(gè)永磁直流負(fù)載電機(jī)的軸承，在感應(yīng)和負(fù)載電機(jī)上安放傳感器、電流表和電壓表等測量儀器進(jìn)行輸入功率和輸出功率的測量。

使用Parker 890交流變頻器驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)電機(jī)，通過DSE Lite配置工具軟件編程實(shí)現(xiàn)所需控制邏輯。該試驗(yàn)中電機(jī)速度控制方法使用恒壓頻比（V/F）控制，驅(qū)動(dòng)器輸入試驗(yàn)電機(jī)的電壓和頻率成正比例相關(guān)，因此Parker 890驅(qū)動(dòng)器可以通過更改其頻率設(shè)置的方式來控制電動(dòng)機(jī)速度。感應(yīng)電機(jī)的溫升變化主要源于電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加和銅耗的增加，在V/F控制下，電機(jī)熱特性與其轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度控制采用頻率控制，電機(jī)速度方程式為：

當(dāng)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差率s變化不明顯時(shí)，可將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與頻率f設(shè)置成正比關(guān)系。由此，可以通過更改電機(jī)電源頻率來改變感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度。當(dāng)感應(yīng)電機(jī)主磁通量大于其正常值時(shí)，磁過飽和會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流增加，并降低功率因數(shù)；當(dāng)主磁通量小于其正常值時(shí)，轉(zhuǎn)矩減小。因此，在使用頻率控制時(shí)，電機(jī)的主磁通需保持不變。保持輸入電壓和頻率之比恒定，V/F控制方法保證了電機(jī)電流的恒定，可實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩的速度控制。

由于沒有詳細(xì)的相角控制或功率因數(shù)控制要求，V/F控制足以滿足試驗(yàn)需求。由于V/F的恒轉(zhuǎn)矩控制特性，在速度控制期間保持恒定負(fù)載，足以達(dá)到速度變化試驗(yàn)中控制變量的需求。設(shè)定的變量為感應(yīng)電機(jī)電壓、電流、速度和頻率，其他參數(shù)被視為恒定值。

1.2 布拉格光柵光纖傳感器

FBG傳感器是一種特殊的光纖，通過在光纖內(nèi)部一小段中使用強(qiáng)紫外光照射構(gòu)造了具有固定折射率的分布式布拉格光柵，使其能夠滿足布拉格條件，從而反射特定波長的光并透射所有其他波長。反射光的波長可以根據(jù)制造者對于光纖環(huán)境溫度和/或傳感器的受力情況的測量需求進(jìn)行線性設(shè)計(jì)，這使得FBG光纖傳感器和光信號讀寫器（釋放光信號并接受測量反射光）結(jié)合在一起成為測量溫度或者壓力問題的合適解決方案。FBG傳感器原理如圖1所示。

圖1 FB G光纖傳感器原理圖[9]

如圖1所示：當(dāng)含有一定范圍帶寬的入射光通過光纖時(shí)，中心布拉格波長為λB的1束窄帶光無法通過光纖布拉格光柵段并被反射。

FBG傳感器反射光的中心波長被稱作布拉格波長，可通過式（2）進(jìn)行[10]：

式中：Λ為光柵周期（連續(xù)光柵之間的間距）；neff為有效光纖纖芯折射率。neff通過計(jì)算光纖內(nèi)部傳播的光速與真空中光速的比值量化光纖內(nèi)部傳播的光速，該值取決于波長和光傳播模型。

當(dāng)光纖環(huán)境溫度和受力情況變化時(shí)，Λ和neff的值都會(huì)受到影響。因此，當(dāng)應(yīng)力和或溫度變化時(shí)，反射布拉格波長的變量計(jì)算[11]如下：

式中：ε為FBG光纖所受應(yīng)力；T為光纖溫度。

光柵周期以光波長為單位進(jìn)行測量，該距離的任何變化都將導(dǎo)致布拉格波長的變化。等式的第一部分和第二部分分別表示光纖應(yīng)力變化和溫度變化對布拉格波長偏移的影響。

僅考慮FBG光纖熱效應(yīng)的情況下，由于光熱效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)，當(dāng)溫度升高時(shí)，布拉格波長增加。不同材料的熱膨脹和收縮特性不同，本文選用了具有較高熱敏性和較小楊氏模量的光纖材料，適合對感應(yīng)電機(jī)繞組進(jìn)行熱監(jiān)測?？紤]到光纖本身的熱特性[12]，反射光的波長變化為

式中：α為纖維熱膨脹效應(yīng)系數(shù)；ξ為纖維光熱效應(yīng)系數(shù)。

對于本文使用的FBG傳感器，α≈0.55×10-6，ξ≈6.67×10-6，F(xiàn)BG光纖傳感頭暴露在環(huán)境溫度下的標(biāo)準(zhǔn)布拉格波長為1 550 nm。該光纖的熱敏度為11.2 pm/℃，其反射波長與溫度呈正相關(guān)。

光纖封裝是通過使用聚醚醚酮（PEEK）毛細(xì)管實(shí)現(xiàn)的。PEEK是一種半結(jié)晶熱塑性塑料，具有出色的機(jī)械耐性和化學(xué)耐性，可以在高溫下穩(wěn)定維持其物理特性。通過使用PEEK來包裹FBG傳感頭，實(shí)現(xiàn)對光纖的保護(hù)，并將傳感器安全傳遞到線圈繞組的中心位置。PEEK將在143℃左右轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ?，并?43℃左右熔化。該材料的工作溫度最高可以達(dá)250℃[13]，遠(yuǎn)高出電機(jī)F級絕緣溫度標(biāo)準(zhǔn)，因此可以被用于感應(yīng)電機(jī)的監(jiān)視試驗(yàn)。圖2顯示了FBG傳感探頭的整體保護(hù)設(shè)計(jì)。FBG傳感探頭被包裹在PEEK毛細(xì)管內(nèi)，PEEK毛細(xì)管在對試驗(yàn)電機(jī)進(jìn)行繞線時(shí)，放置在感應(yīng)電機(jī)線圈繞組中心位置。在感應(yīng)電機(jī)外部，1節(jié)可收縮細(xì)管和1節(jié)特氟龍細(xì)管被一一連接，以保護(hù)光纖整體的完整性，并通過光纖連接器將光信號發(fā)送到FBG讀寫器。

圖2 FBG 光纖傳感器探針設(shè)計(jì)

為了與插槽長度相匹配，整個(gè)探頭的總長度為1.5 m，1個(gè)5 mm FBG光柵部分“刻”在了聚酰亞胺涂層的光纖中。該FBG光柵探頭的反射帶寬約為0.374 nm，反射率約為88%[14]。將包含探測功能的部分用PEEK材料包裝，使其尺寸接近感應(yīng)電機(jī)繞組銅導(dǎo)體0.56 mm直徑的尺寸，并選擇外徑為0.8 mm的PEEK毛細(xì)管用于試驗(yàn)。因此，PEEK毛細(xì)管在電機(jī)上的安裝更容易，并且使得傳感器封裝在定子繞組結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱傳感效率更高，最小化測量誤差[15-16]。PEEK材料的導(dǎo)熱系數(shù)不高，為保證測量精度、改善PEEK毛細(xì)管導(dǎo)熱特性并降低其熱阻，須選擇相對較薄的PEEK毛細(xì)管包裝FBG光纖。PEEK毛細(xì)管包層的厚度選擇為0.1 mm，保證FBG傳感器對溫度變化的快速熱響應(yīng)[16]。

2 試驗(yàn)測試臺設(shè)計(jì)

2.1 FBG傳感器位置的確定

構(gòu)建用于感應(yīng)電機(jī)的FBG熱監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)測量和監(jiān)控感應(yīng)電機(jī)三相繞組的熱狀態(tài)。在電機(jī)的定子繞組內(nèi)部安裝3個(gè)FBG光纖傳感器，分別對應(yīng)3個(gè)不同相位的熱監(jiān)測。圖3展示了FBG位置的選擇方式。在每個(gè)FBG傳感器放置位置之間間隔7個(gè)插槽，將感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行幾何上的3等分，使感應(yīng)電機(jī)的熱分布得到平衡，電機(jī)內(nèi)的熱監(jiān)測也可減小誤差。

圖3 安置傳感器的電機(jī)三相插槽示意圖

FBG傳感器位置的確定需要考慮電機(jī)內(nèi)的2個(gè)方向坐標(biāo)[14]，即需要確定傳感器的軸向和徑向位置。對于FBG傳感器的徑向位置，基于熱力學(xué)分布理論，此類均質(zhì)物體的熱點(diǎn)位于其橫截面幾何中心點(diǎn)，因此，F(xiàn)BG光纖應(yīng)放在縫隙截面的中心，如圖4所示。應(yīng)選擇合適尺寸的PEEK毛細(xì)管，使其容易放置在纏繞的導(dǎo)體中間，從而被安置在插槽中央。對于軸向感應(yīng)位置，感應(yīng)電機(jī)在理論上沒有特定的熱點(diǎn)位置。本溫度測量方案的計(jì)劃是使FBG傳感器能夠在任何位置測量感應(yīng)電機(jī)熱狀況。為此，試驗(yàn)選擇內(nèi)徑為0.6 mm的PEEK毛細(xì)管[14]，從而使直徑以微米計(jì)的FBG光纖可以很靈活方便在PEEK包裝內(nèi)移動(dòng)。由于PEEK毛細(xì)管的長度設(shè)計(jì)與被檢查機(jī)器的軸向長度相近，F(xiàn)BG傳感探頭可在PEEK管內(nèi)移動(dòng)到感應(yīng)電機(jī)在槽截面空間中的任何軸向位置，從而能夠測量任何位置的溫度。為了獲取代表性數(shù)據(jù)，在本次熱監(jiān)控試驗(yàn)中，將三相定子繞組處的FBG傳感探頭置于電機(jī)鐵芯軸向長度的中心位置。

圖4 傳感器在單個(gè)插槽中的安裝位置

2.2 試驗(yàn)測試臺設(shè)計(jì)

圖5[17]展示了用于校準(zhǔn)測試的試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)，圖6展示了FBG熱監(jiān)控測試的試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)[17-18]。

對于校準(zhǔn)測試，選擇使用熱室為傳感器提供穩(wěn)定且可控的熱環(huán)境，以確保校準(zhǔn)測試中傳感器在設(shè)計(jì)溫度下記錄正確的波長。熱室中設(shè)定的參考溫度通過使用室內(nèi)溫度計(jì)測量進(jìn)行雙重檢查；此外，在校準(zhǔn)過程中，將在熱室內(nèi)FBG傳感器頭附近放置K型熱電偶（TC）傳感器，進(jìn)一步確保熱室溫度調(diào)節(jié)與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的精度。設(shè)定的熱室溫度將被錄入電腦，并匹配對應(yīng)的FBG傳感器反射光波長。本文使用了3個(gè)FBG傳感器，通過對其進(jìn)行同步測試，將校準(zhǔn)誤差最小化。

圖5 校準(zhǔn)測試試驗(yàn)臺示意圖

圖6 FBG熱監(jiān)控試驗(yàn)測試臺示意圖

校準(zhǔn)測試設(shè)計(jì)在20～160℃溫度范圍內(nèi)完成，以符合試驗(yàn)感應(yīng)電機(jī)F級絕緣溫度的標(biāo)準(zhǔn)。熱室溫度將以20℃的間隔逐級提升，并且在每一級溫度校準(zhǔn)中保持足夠的測試時(shí)間，以確保熱室內(nèi)部達(dá)到熱平衡。由此，可記錄FBG傳感器在每個(gè)熱平衡狀態(tài)下的布拉格波長和設(shè)置的腔室溫度，并繪制所得校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算出的3個(gè)傳感器的溫度-波長擬合曲線。

本文設(shè)計(jì)了2個(gè)熱監(jiān)控測試：

1）其中1項(xiàng)測試將在保持標(biāo)稱額定負(fù)載運(yùn)行的情況下改變驅(qū)動(dòng)器頻率來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，測試結(jié)果可以得出與頻率相關(guān)的TEFC感應(yīng)電機(jī)工作性能，且通過此測試找出電機(jī)的性能極限。NIDAQ數(shù)據(jù)采集設(shè)備還將采集負(fù)載電機(jī)的信息，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控負(fù)載情況。

2）第2項(xiàng)測試是研究與負(fù)載變化有關(guān)的感應(yīng)電機(jī)性能。將負(fù)載狀態(tài)調(diào)整到其滿載狀態(tài)的不同百分比，并使用熱監(jiān)控系統(tǒng)對電機(jī)熱狀態(tài)進(jìn)行測量，為保證負(fù)載調(diào)整精確，通過DAQ測量結(jié)果對調(diào)整結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。負(fù)載電機(jī)由TEFC感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸傳遞的機(jī)械動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，這種動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)在整個(gè)試驗(yàn)過程中保持不變。

對于試驗(yàn)TEFC的電機(jī)，需要嵌入FBG傳感器。讀寫器負(fù)責(zé)發(fā)射穿過FBG光纖的激光，并使用其檢測電路處理FBG光柵反射光信息。讀寫器計(jì)算反射光的布拉格波長，將其處理為數(shù)字信號，而后通過以太網(wǎng)端口以2.5 kHz的采集速度傳送至筆記本電腦。

通過使用光纖設(shè)備商開發(fā)的配套的數(shù)據(jù)采集軟件SmartSoft軟件收集布拉格波長數(shù)據(jù)。布拉格波長數(shù)據(jù)有3種顯示模式，光譜模式、傳感器模式和圖表模式。為收集布拉格波長數(shù)據(jù)，本文使用傳感器模式，該模式將在表格中匯總不同時(shí)刻的布拉格波長，方便結(jié)合DAQ設(shè)備收集的數(shù)據(jù)對試驗(yàn)流程進(jìn)行驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 傳感器校準(zhǔn)試驗(yàn)

將熱室溫度分別設(shè)置為25.5℃、40.0 ℃、60.0℃、80.0℃和100.0℃，收集不同溫度下FBG光纖的布拉格波長以建立波長-溫度關(guān)系，如圖7所示?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)記錄，計(jì)算出相應(yīng)擬合曲線來確定試驗(yàn)裝置中3個(gè)FBG傳感器的具體測溫特性。

圖7 校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果

本文選擇使用二階多項(xiàng)式擬合曲線來表示校準(zhǔn)試驗(yàn)中FBG傳感器的熱特性。結(jié)果表明：嵌入到被測電機(jī)的A相線圈繞組中，F(xiàn)BG傳感探頭的布拉格波長最長；B相繞組中FBG傳感探頭的布拉格波長僅次于A相線圈繞組；而C相線圈繞組的FBG探頭在相同溫度條件下，布拉格波長最小。

通過校準(zhǔn)試驗(yàn)可知：3個(gè)FBG傳感器均可正常工作，并且非常適合在試驗(yàn)電機(jī)運(yùn)行溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測量。每個(gè)FBG傳感探頭與其布拉格波長有關(guān)的周圍溫度可以通過式（5）～式（7）計(jì)算：

當(dāng)通過讀寫器測量出初始布拉格波長時(shí)，即能通過這些方程式計(jì)算出FBG傳感探頭的環(huán)境溫度。TA0、TB0和TC0為傳感器的初始溫度；式（5）～式（7）中所有初始溫度均為0℃，ΔWA、ΔWB和ΔWC是FBG光纖布拉格波長的變化量，為實(shí)時(shí)布拉格波長和初始布拉格波長之差。該系數(shù)對FBG溫度計(jì)算的影響小于0.01℃，可忽略不計(jì)。

3.2 電機(jī)熱監(jiān)控試驗(yàn)

3.2.1不同負(fù)載情況下的熱監(jiān)控試驗(yàn)

熱監(jiān)控試驗(yàn)是針對工作頻率變化和負(fù)載變化對感應(yīng)電機(jī)性能進(jìn)行的研究。第一個(gè)試驗(yàn)是研究PMDC負(fù)載電動(dòng)機(jī)以25%的增量將其負(fù)載水平從空載增加至滿載時(shí)，額定50 Hz頻率工況下的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)FBG傳感器熱監(jiān)測的結(jié)果。

圖8和圖9顯示了在FBG光纖傳感器測量的空載和滿載情況下，以S1占空比工作模式運(yùn)行的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)溫度的變化。整個(gè)試驗(yàn)全程都是在每種負(fù)載水平或頻率條件下對感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行測量。通過連接到PMDC負(fù)載電機(jī)的DAQ設(shè)備，驗(yàn)證負(fù)載是否已按照測試設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整。

圖8 定子繞組滿載運(yùn)行溫度情況

圖9 定子繞組空載運(yùn)行溫度情況

如圖8～圖11所示：實(shí)驗(yàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)溫度從其環(huán)境溫度開始升高，直至熱平衡時(shí)的溫度情況?？蛰d熱監(jiān)控試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度為23℃，滿載測試期間的環(huán)境溫度為26℃。在S1占空比模式下驅(qū)動(dòng)負(fù)載并達(dá)到熱平衡的電機(jī)溫度在空載時(shí)為67.27℃，在滿載條件下為100.73℃。試驗(yàn)所選的穩(wěn)態(tài)溫度是感應(yīng)電機(jī)達(dá)到熱平衡后1 000 s內(nèi)測得的三相插槽繞組溫度的平均值。以0.25 s為時(shí)間間隔設(shè)置讀寫器來測量電機(jī)從初始環(huán)境溫度升至穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)的溫度變化。在空載條件下，感應(yīng)電機(jī)從初始值到穩(wěn)態(tài)的溫升為44.27℃，當(dāng)負(fù)載從空載增加到滿載時(shí)，其溫升提高至74.73℃。

圖10 定子繞組滿載運(yùn)行熱平衡溫度（穩(wěn)定）

圖11 定子繞組空載運(yùn)行熱平衡溫度（穩(wěn)定）

測量結(jié)果表明：三相繞組存在細(xì)微溫差，這是由三相繞組中的FBG傳感器放置位置和PEEK毛細(xì)管安裝位置等方面的不同或埋線式安裝產(chǎn)生的應(yīng)力變化導(dǎo)致的。電機(jī)溫度上升趨勢符合電機(jī)發(fā)熱的熱力學(xué)理論模型，電機(jī)溫升在初始階段十分迅速，當(dāng)溫度逐漸接近穩(wěn)態(tài)時(shí)，溫升速度越來越慢，直至感應(yīng)電機(jī)達(dá)到熱平衡。

在25%、50%和75%負(fù)載水平下測得的感應(yīng)電機(jī)繞組穩(wěn)態(tài)溫度的計(jì)算平均值為69.62℃、74.18℃和83.52℃，這3次試驗(yàn)的環(huán)境溫度分別為24.5℃、26.26℃和20.84℃。計(jì)算出不同負(fù)載水平下感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的溫升程度（圖10）。圖10表明從無負(fù)載到滿負(fù)載的不同負(fù)載水平下以額定頻率運(yùn)行時(shí)感應(yīng)電機(jī)的溫升特性。

由圖12可知：在負(fù)載增加的前半部分，溫升程度并未增加太多；從半負(fù)載開始持續(xù)提高負(fù)載水平，感應(yīng)電機(jī)溫升水平從半負(fù)載狀態(tài)下的約48℃升高到全負(fù)載狀態(tài)下的75℃。這種非線性的負(fù)載增加導(dǎo)致的感應(yīng)電機(jī)溫升提高現(xiàn)象，符合試驗(yàn)所用感應(yīng)電機(jī)能效等級（IE1）標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載增加時(shí)，定子繞組損耗增加，總損耗隨之增加[19]。

圖12 感應(yīng)電機(jī)在不同負(fù)載水平下的工作溫升特性

3.2.2不同頻率情況下的熱監(jiān)控試驗(yàn)

與不同負(fù)載熱監(jiān)控測試的試驗(yàn)步驟相同，其第2部分著重于探索不同頻率下感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行性能。其中，分別在20 Hz、30 Hz、40 Hz和50 Hz（額定頻率）的工作頻率下，對感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行熱狀態(tài)測量。與頻率相關(guān)的感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度測量結(jié)果如圖11所示。圖13中曲線為試驗(yàn)所得三相FBG光纖傳感器測量數(shù)據(jù)的二階多項(xiàng)式擬合曲線，展現(xiàn)了由工作頻率變化引起的感應(yīng)電機(jī)三相溫度變化。

圖13 感應(yīng)電機(jī)在額定負(fù)載情況下不同頻率溫度情況

表示感應(yīng)電機(jī)溫度-頻率關(guān)系的三相曲線關(guān)系式為

通過連接在Parker驅(qū)動(dòng)器和檢查感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的DAQ設(shè)備得到了電機(jī)實(shí)時(shí)頻率時(shí)，可計(jì)算出感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)額定負(fù)載時(shí)三相定子繞組的穩(wěn)態(tài)溫度。

圖11中標(biāo)出了所測感應(yīng)電機(jī)的B級最高工作溫度和F級最高允許溫度（絕緣溫度）。擬合曲線的趨勢表明：電動(dòng)機(jī)工作頻率越低，電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度越高。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)溫度接近熱極限時(shí)，B相定子繞組的溫度逐漸在三相繞組中達(dá)到最高。因此，應(yīng)基于感應(yīng)電機(jī)B相繞組的熱特性來計(jì)算其運(yùn)行極限。對于最高工作溫度極值，所檢查的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)最低工作頻率fclassB為19 Hz；在極端情況下，根據(jù)最大允許溫度極值，可知感應(yīng)電動(dòng)機(jī)最低工作頻率fclassF為6 Hz。機(jī)器部件損耗是無法定量預(yù)測的，因此，計(jì)算出的擬合曲線僅在電動(dòng)機(jī)頻率低于額定50 Hz頻率時(shí)保證電機(jī)熱特性分析的可靠性，并未考慮在頻率超過50 Hz的高速情況下電機(jī)機(jī)械誤差和損耗帶來的影響。

3.3 試驗(yàn)分析

由試驗(yàn)的TEFC感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可知：當(dāng)輸出頻率要求大于19 Hz時(shí)，方可將電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于相應(yīng)工作；即使在某些緊急情況下，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在一段時(shí)間內(nèi)需要保持低于19 Hz的輸出頻率；機(jī)器頻率也不能低于6 Hz，否則試驗(yàn)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)將會(huì)因過熱而直接損壞。

在FBG光纖傳感器方面，負(fù)載測試和頻率測試中熱監(jiān)控系統(tǒng)性能已通過對電機(jī)各項(xiàng)制造標(biāo)準(zhǔn)的對比得以驗(yàn)證。將溫度測量時(shí)間間隔設(shè)為0.25 s，確保了監(jiān)測感應(yīng)電機(jī)溫度變化時(shí)擁有足夠的靈敏度。與傳統(tǒng)電機(jī)內(nèi)部測溫方法中精度最高的熱電偶測溫方案相比，熱電偶僅能保證1 ℃的測量精度[20]，而FBG溫度測量可以以0.05 ℃的精度測量實(shí)時(shí)溫度[21]，精度遠(yuǎn)高于熱電偶；另一方面，發(fā)生故障時(shí)，無法修復(fù)或替換嵌入在電機(jī)中的傳感器是傳統(tǒng)電機(jī)熱測量方法的弊病[22]。采用PEEK毛細(xì)管封裝的FBG光纖設(shè)計(jì)解決了該問題。通過從毛細(xì)管中移動(dòng)光纖，輕松實(shí)現(xiàn)對傳感器的維護(hù)、校準(zhǔn)、調(diào)整和更換；最后，F(xiàn)BG傳感器不受電磁干擾的影響，且傳感器的尺寸使其成為唯一可以測量感應(yīng)電機(jī)插槽繞組中心溫度的傳感器，此方式比其他所有方案都更接近電機(jī)的真實(shí)熱點(diǎn)。

因此，基于FBG光纖傳感器的電機(jī)熱監(jiān)控系統(tǒng)顯著提高了電機(jī)檢測方面的性能，解決了傳統(tǒng)解決方案的現(xiàn)有缺點(diǎn)，減小了監(jiān)測系統(tǒng)的尺寸并降低其制造成本，有望成為性能最高的最佳商業(yè)化電機(jī)溫度監(jiān)測解決方案[23-25]。

4 結(jié)論

本文介紹了一種功能強(qiáng)大的光纖布拉格光柵（FBG）溫度測量方案在感應(yīng)電機(jī)定子繞組原位熱監(jiān)控中的應(yīng)用。所提出的熱監(jiān)控系統(tǒng)是在全封閉風(fēng)扇冷卻（TEFC）鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)，并從被檢查電機(jī)的測試結(jié)果中評估了熱監(jiān)控方案的可行性。該解決方案使用了抗電磁干擾的、絕緣的、尺寸細(xì)小、適合嵌入到不同感應(yīng)電機(jī)的定子繞組線圈內(nèi)部的光纖傳感器。通過使用固定在繞組線圈內(nèi)部的PEEK毛細(xì)管實(shí)現(xiàn)光纖的保護(hù)與位置變更的設(shè)計(jì)，使光纖易于更換，重新校準(zhǔn)或重新放置，簡化了傳感安裝的工藝流程，遠(yuǎn)強(qiáng)于感應(yīng)電機(jī)的常規(guī)溫度傳感器。而且，由于所有基于光纖感測信號的感應(yīng)電機(jī)操作控制都可以在電機(jī)外部實(shí)現(xiàn)，與電機(jī)內(nèi)部電路無關(guān)，因此該方案可以進(jìn)一步結(jié)合自動(dòng)控制開發(fā)其熱監(jiān)控功能。

FBG在電機(jī)方面的熱監(jiān)控有極大的開發(fā)潛力，可以以故障保護(hù)與操作輔助為方向進(jìn)行進(jìn)一步研究。當(dāng)系統(tǒng)檢測到電機(jī)熱點(diǎn)溫度異常升高時(shí)，應(yīng)識別出該熱點(diǎn)位置附近存在故障，并停止電機(jī)工作并應(yīng)檢查組件。對于常規(guī)方法，熱保護(hù)是通過電機(jī)內(nèi)部安裝的熱敏開關(guān)，通過繼電器或斷路器實(shí)現(xiàn)，它們無法檢測到故障的位置。如果將FBG監(jiān)控用于故障檢測和機(jī)器保護(hù)，則可以將此類故障的具體信息反饋給機(jī)器操作員，幫助提高檢修效率。此外，利用實(shí)時(shí)的FBG機(jī)器熱監(jiān)控系統(tǒng)，電機(jī)控制可以基于實(shí)時(shí)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)控的反饋數(shù)據(jù)，從而可以不依照操作準(zhǔn)則，反而根據(jù)其實(shí)際安全熱限額進(jìn)行操作，在某些需要電機(jī)進(jìn)行最大輸出的情況，例如電車加速時(shí)，這種功能會(huì)非常有用。